Bartłomiej Zieliński - Mikroprocesory.pdf - Elektronika NOWOSC!!!!! - mfireb

Bartłomiej Zieliński

Mikroprocesory

Przedmowa

Niniejsza książka prezentuje podstawy konstrukcji urządzeń cyfrowych i mikroprocesorowych. Zawiera ona

omówienia wybranych układów scalonych małej, średniej i dużej skali integracji oraz liczne przykłady ich

zastosowań. Pewne zdziwienie Czytelnika może wprawdzie budzić dobór mikroprocesorów do ilustracji

pewnych zagadnień — chodzi tutaj o mikroprocesory 8-bitowe: Z-80, 8048 i 8051. Jeżeli jednak głębiej

przyjrzeć się współczesnym układom mikroprocesorowym, okazuje się, że podstawowe techniki konstrukcyjne

— a takie właśnie prezentuje ta książka — mimo upływu 20 lat pozostały niezmienione.

Tematyka zawarta wksiążce odpowiada problematyce poruszanej wramach ćwiczeń zprzedmiotów:

konstrukcja urządzeń cyfrowych, mikroinformatyka oraz układy mikroprocesorowe, prowadzonych na kierunku

informatyka na Wydziale Automatyki, Elektroniki i Informatyki Politechniki Śląskiej w Gliwicach.

Książkę podzielono na 8 rozdziałów.

Rozdział pierwszy omawia właściwości elektryczne układów serii TTL, powszechnie stosowanych w układach

cyfrowych. Pokazane są tu podstawowe właściwości wejść i wyjść układów cyfrowych oraz obszary ich

zastosowań. Rozdział ten zawiera także przykłady obliczeniowe dla układów z wyjściami typu „otwarty

kolektor”.

Rozdział drugi omawia cechy funkcjonalne układów serii TTL, które są stosowane w przykładach w tym

i następnych rozdziałach. Zebrano tu m. in. opisy układów takich, jak kodery, dekodery i transkodery, liczniki

asynchroniczne i synchroniczne, bufory i rejestry, komparatory czy układy czasowe. Przykłady ilustrują użycie

niektórych z tych układów do budowy najprostszych bloków funkcjonalnych układu cyfrowego.

Rozdział trzeci zapoznaje Czytelnika z zasadami konstrukcji jednostki centralnej w oparciu o mikroprocesory

8048, 8051 oraz Z-80. Jednostki te wykorzystane są w przykładach w następnych rozdziałach do ilustracji

sposobów dołączania do mikroprocesora układów pamięci i wejścia-wyjścia.

Rozdział czwarty wprowadza w tematykę budowy bloków pamięci. Zawiera on także liczne przykłady

konstrukcji modułów pamięci stałej i statycznej dla różnych typów mikroprocesorów. Pamięciom dynamicznym

— ze względu na odmienne zasady sterowania nimi — poświęcony jest rodział piąty.

Rozdział szósty prezentuje układy programowalne równoległego wejścia-wyjścia (8255, Z-80 PIO) wraz

z najprostszym ich zastosowaniem służącym do budowy modułu klawiatury i wyświetlacza.

Rozdział siódmy prezentuje programowalne układy czasowe (8253, Z-80 CTC) wraz z ich zastosowaniem

służącym do budowy układów pomiaru uzależnień czasowych (częstotliwość, okres, szerokość impulsów,

stopień wypełnienia).

Rozdział ósmy prezentuje sposoby konstrukcji złożonych modułów wejścia-wyjścia, składających się z kilku

układów, połączonych zgodnie z przyjętymi założeniami. Pokazano tu m.in. techniki umieszczania układów

w określonych przestrzeniach adresowych oraz generowania przerwań o określonych priorytetach.

Książka ta nie powstałaby bez pomocy kilku osób. Przede wszystkim chciałbym podziękować dr. inż.

Henrykowi Małysiakowi oraz mgr inż. Dariuszowi Byrskiemu za zainteresowanie tematyką budowy układów

mikroprocesorowych. Swój wkład w jej powstanie mają także moi najbliżsi współpracownicy: mgr inż.

Grzegorz Baron, mgr inż. Grzegorz Kacy oraz mgr inż. Krzysztof Tokarz, z którymi dyskutowałem wiele

z pokazanych w książce rozwiązań. Chciałbym także podziękować Żonie i Rodzicom za cierpliwość i wsparcie

podczas pisania książki.

Bartłomiej Zieliński

Gliwice, czerwiec 2001 r.

Rozdział 1.

Właściwości układów TTL

Podstawowym układem scalonym serii TTL jest bramka realizująca funkcję negacji iloczynu logicznego dwóch

wejść (NAND). W jej strukturze można wyróżnić stopień wejściowy i wyjściowy oraz „wnętrze” bramki.

Struktura tego „wnętrza” zależy od funkcji realizowanej przez układ, podczas gdy stopnie wejściowy

i wyjściowy są takie same w różnych układach i decydują o ich parametrach elektrycznych.

Wejścia układów TTL

W układach TTL mamy do czynienia z dwoma typami wejść: zwykłym i Schmitta. Wejście zwykłe stosuje się

w prawie wszystkich układach. Jeżeli jednak sygnały wejściowe mogą być zniekształcone, należy zastosować

wejście Schmitta.

Wejście zwykłe

Wejście zwykłe (rysunek 1.1) może być stosowane wszędzie tam, gdzie nie zachodzi obawa, iż napięcia

sygnałów wejściowych mogą mieć niedozwolony poziom (U ILmax < U I < U IHmin ). Dodatkowym warunkiem

stosowania tych wejść jest odpowiednio krótki czas narastania i opadania sygnałów, który nie powinien być

dłuższy niż 1 µs. W przypadku przekroczenia tego czasu (w zakresie napięcia wejściowego 1,3 – 1,4 V)

na wyjściu bramki mogą pojawić się oscylacje. Czas narastania i opadania sygnałów na wejściach zegarowych

przerzutników nie powinien przekraczać 150 ns.

W stanie niskim na wejściu prąd wejściowy wypływa z układu, na skutek czego tranzystor wejściowy znajduje

się w stanie nasycenia. W stanie wysokim natomiast prąd wpływa do układu, a tranzystor jest w stanie

inwersyjnym.

I IH

I OH

I IL

I OL

wejście zwykłe

wyjście przeciwsobne

wyjście typu

„otwarty kolektor”

Rysunek 1.1. Wejścia i wyjścia układów TTL

Wejście Schmitta

Bramki z wejściem z przerzutnikiem Schmitta stosowane są wszędzie tam, gdzie sygnały wejściowe nie mają

odpowiednio stromych zboczy oraz jeżeli istnieje obawa, że sygnał wejściowy może być zakłócony. Dzięki

charakterystycznej dla tych układów histerezie napięć wejściowych (rysunek 1.2) chwilowy spadek napięcia

wejściowego poniżej progu przełączania nie spowoduje niepożądanego przełączenia bramki. Przykładowy

przebieg napięć wejściowego i wyjściowego bramki Schmitta ilustruje rysunek 1.2.

U O

U I

Rysunek 1.2. Charakterystyka przejściowa bramki Schmitta

Rysunek 1.3. Przebieg na wejściu i wyjściu bramki Schmitta

Układy z wejściami Schmitta stosowane mogą być jako:

• stopnie wejściowe sygnałów wolnozmiennych lub zakłóconych;

• układy kształtowania impulsów z przebiegów analogowych, np. sinusoidalnych;

• generatory fali prostokątnej;

• układy uzależnień czasowych.

Bramka Schmitta (bramka z wejściem Schmitta) ma wejścia zwykłe, a jej charakterystyczna funkcja realizowana

jest we „wnętrzu” bramki.

Wyjścia układów TTL

W układach TTL spotyka się trzy rodzaje stopni wyjściowych: przeciwsobny, trójstanowy i z otwartym

kolektorem. Różnią się one między sobą znacznie bardziej niż stopnie wejściowe, co wpływa na możliwość

zastosowania ich w konkretnej aplikacji.

Wyjście przeciwsobne

Wyjście tego typu (rysunek 1.1) jest podstawowym typem stopnia wyjściowego bramek TTL. Do poprawnej

jego pracy nie jest konieczne dołączanie żadnych elementów zewnętrznych, tym niemniej w pewnych

zastosowaniach można użyć tzw. rezystorów podciągających, które podwyższają poziom napięcia w stanie

wysokim. Wyjść przeciwsobnych nie należy łączyć ze sobą w celu realizacji funkcji logicznych; nie należy też

ich dołączać bezpośrednio do masy lub zasilania, gdyż może to spowodować trwałe uszkodzenie układu.

Wyjścia przeciwsobne dwóch układów mogą być połączone ze sobą wyłącznie w celu zwiększenia ich

obciążalności. Zaleca się wówczas, aby wszystkie wyjścia należały do tego samego układu scalonego. Czas

propagacji sygnału przez poszczególne bramki jest wówczas zbliżony, co wpływa na zmniejszenie poziomu

zakłóceń w układzie.

W stanie niskim na wyjściu dolny tranzystor jest nasycony i zwiera wyjście do masy (napięcie wynosi około

0,2 – 0,3 V), a górny jest zatkany. Prąd wyjściowy wpływa do układu. W stanie wysokim zatkany jest dolny

tranzystor, a górny jest nasycony, zatem na wyjściu utrzymuje się napięcie rzędu 3,3 V, a prąd wyjściowy

wypływa z układu.

Wyjście z otwartym kolektorem

Konstrukcja wyjścia z otwartym kolektorem umożliwia łączenie wyjść różnych układów w celu realizacji

funkcji logicznej lub konstrukcji magistrali. Do poprawnej pracy układu wymagane jest jednak dołączenie zew-

nętrznego rezystora pomiędzy wyjście układu a napięcie zasilania (rysunek 1.1). Rezystor ten musi być dobrany

w zależności od liczby oraz typu wejść i wyjść dołączonych do rozpatrywanego węzła.

W stanie niskim na wyjściu tranzystor jest nasycony i zwiera wyjście do masy. W stanie wysokim natomiast

tranzystor ten jest zatkany. W obu przypadkach prąd wyjściowy wpływa do układu, przy czym I OL << I OH (np.

dla układów serii TTL I OL = 16 mA, natomiast I OH = 250 µA).

Połączenie wyjść typu „otwarty kolektor” umożliwia realizację tzw. iloczynu montażowego . Jeżeli

we wszystkich wyjściach tranzystory są zatkane (nie przewodzą), to w węźle mamy stan wysoki („1” logiczna).

Wystarczy jednak, aby chociaż jeden z tych tranzystorów wszedł w stan nasycenia, aby w węźle pojawił się stan

niski („0” logicznego).

Dobór rezystora dla wyjścia z otwartym kolektorem

Wartość rezystora R , łączącego węzeł z napięciem zasilającym, musi być tak dobrana, aby zarówno w stanie „0”,

jak i „1”, w węźle utrzymywały się odpowiednie poziomy napięć. Jest to względnie proste, jeżeli wszystkie

bramki dołączone do węzła mają takie same parametry prądowe i napięciowe. Najczęściej warunek ten jest

spełniony. Może się jednak zdarzyć i tak, że każda bramka będzie miała inne parametry (np. wyjście

o zwiększonej obciążalności, różne serie układów TTL, współpraca z układami CMOS).

Niezbędne obliczenia wykonuje się w dwóch etapach, obliczając największą i najmniejszą dopuszczalną wartość

opornika — odpowiednio R max i R min .

Obliczenie maksymalnej wartości opornika

Wartość R max obliczamy dla stanu wysokiego w węźle (rysunek 1.4). W tym stanie napięcie w węźle powinno

być nie mniejsze niż najniższe napięcie w stanie wysokim, dopuszczalne dla wszystkich dołączonych układów.

Zazwyczaj jest ono równe U OHmin . Jeżeli mamy kilka różnych wartości tego napięcia, to wybieramy największą

z nich, ponieważ będzie ona dopuszczalna dla wszystkich wyjść. Czasami jednak jest to napięcie niższe niż

najniższe dopuszczalne dla zastosowanych wejść — z przypadkiem tym mamy do czynienia przy stosowaniu

wejść CMOS. Ogólnie można więc powiedzieć, że do obliczeń należy wykorzystać najwyższe z minimalnych

napięć wejściowych i wyjściowych dla stanu wysokiego. Napięcie na oporniku jest różnicą między napięciem

zasilania a pożądanym napięciem w węźle.

stan wysoki

stan niski

Rysunek 1.4. Przepływy prądów w stanie wysokim i niskim w węźle

W stanie wysokim zarówno prądy wyjściowe, jak i wejściowe, wpływają do układów, zatem prąd płynący

przez opornik jest równy sumie prądów wejściowych i wyjściowych. Wynika z tego następująca zależność:

Bartłomiej Zieliński - Mikroprocesory.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: